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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Abbildungskorrektur eines Projektors für digitalisierte Bilder, wobei der Projektor eine Kamera zur Aufnahme des projizierten Bildes aufweist und wobei das aufgenommene, projizierte Bild mit mindestens einem unter Normalbedingungen projiziertem Bild verglichen und in Abhängigkeit des Vergleiches die Projektionsoptik des Projektors solange verändert und/oder das projizierte Bild im Projektor solange verzerrt wird, bis das aufgenommene, projizierte Bild mit dem mindestens einen unter Normalbedingungen aufgenommenen Bild im Bereich eines vorgewählten Toleranzintervalls identisch ist und einen dazu korrespondierenden Projektor zur Projektion von digitalisierten Bildern an eine Projektionswand.
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Projektoren zur Projektion von digitalisierten Bildern auf eine beliebige Projektionsfläche, in der Regel eine Leinwand, empfangen über eine dafür vorgesehene Schnittstelle ein Signal eines digitalisierten Bildes und projizieren das Bild über eine entsprechende Projektionsoptik auf die Projektionsfläche. Dabei ist es notwendig, dass die Geometrie der Projektionsfläche und die Projektionsoptik aufeinander abgestimmt sind, um ein scharfes und verzerrungsfreies Bild zu erhalten. Neben der Abstimmung der Entfernung von Projektionsoptik und Leinwand ist auch noch zu berücksichtigen, dass der Projektor häufig in Bezug auf die Projektionsfläche so positioniert werden muss, dass eine Zentralprojektion nicht möglich ist. Der Projektor projiziert aus Richtung des Projektors gesehen auf eine schiefe Leinwand oder anders herum, der Projektor ist in Bezug auf die Leinwand nicht mittig und nicht lotrecht ausgerichtet. Die Platzierungsproblematik geht einher mit der Notwendigkeit einer Abbildungskorrektur. Typische Abbildungsfehler sind bei nicht zureichend eingestellter Projektionsoptik die chromatische Aberration, die ursächlich ist für ein geringfügig unterschiedliches Bild für verschiedene Farben. Dieser Fehler ist auf die Dispersion des verwendeten Glases zurückzuführen und bei nicht optimal eingestellter Projektionsoptik macht sich dieser Fehler bemerkbar. Ein weiterer Fehler ist die sogenannte Verzeichnung, bei der ein Bild in Form eines horizontal liegenden Vierecks zu einer bauchigen, ausgewölbten Tonne oder – invers dazu – zu einem Kissen mit ausgezogenen Ecken verzerrt wird. Das zu projizierende zweidimensionale Bild erscheint für einen Betrachter dreidimensional eingefallen oder ausgeweitet zu sein. Durch die schräge Anordnung der Bildebene des Projektors und der Projektionsebene entstehen Trapezeffekte, bei dem ein projiziertes Viereck bei der Projektion auf die Projektionsebene zu einem Trapez verzerrt wird. Kommt schließlich noch eine gewölbte oder nicht ebene Projektionsebene zum Einsatz, so erfährt das projizierte Bild eine dazu korrespondierende Verzerrung.
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Um einen Projektor optimal für seinen Einsatz einzustellen, ist – je nach Abhängigkeit der räumlichen Gegebenheiten – ein nicht unerheblicher Zeitaufwand notwendig, um den Projektor nutzen zu können. Gerade für mobile Einsätze von Projektoren, beispielsweise für schnelle aufbauten bei Verkaufspräsentationen oder bei plötzlichen Ereignissen, die projiziert werden sollen, ist der Zeitaufwand zum Einstellen nicht akzeptabel. Auch ist zur optimalen Einstellung eine gewisse Übung notwendig, die nicht jeder hat.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Abbildungskorrektur zu automatisieren. Die Erfindung wird gelöst durch das Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5 und durch den Projektor nach den Ansprüchen 6 bis 10.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, den Projektor mit einer Kamera auszurüsten, die das projizierte Bild aufnimmt und eine Regelvorrichtung einzusetzen, die das aufgenommene, projizierte Bild intern mit einem Bild, das unter Normalbedingungen aufgenommen worden ist, vergleicht und die Projektionsoptik so lange verändert und/oder das digitale Bild selbst in Abhängigkeit des Vergleiches innerhalb des Projektors so lange verzerrt, bis das aufgenommene, projizierte Bild identisch ist mit einem Bild, das unter Normalbedingungen aufgenommen wurde, wobei ein vorbestimmtes Toleranzmaß in Kauf genommen wird.
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Um das Toleranzmaß zu bestimmen, innerhalb dessen das aufgenommene, projizierte Bild mit dem unter Normalbedingungen aufgenommenen Bild als identisch gelten soll, wird der RMS-Fehler einzelner ausgewählter Pixel bestimmt. Beträgt der RMS-Fehler der gemessenen Abweichung als Toleranzwert weniger als 5% der Bild-diagonale, bevorzugt weniger als 1% der Bilddiagonale, so gelten die Bilder als identisch und die Regelschleife kommt zum Stillstand.
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Der RMS-Fehler, nach englisch ”root-mean-square” oder deutsch das ”quadratische Mittel” wird bestimmt durch die mathematische Berechnung des quadratischen Mittels aller der Abstände von der Sollposition je eines ausgewählten Bildpunktes zur gemessenen Position dieses Bildpunktes, wobei der jeder einzeln bestimmte Abstand je als Bruchteil der Bilddiagonale in die Berechnung eingeht.
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Um die Bildkorrektur während der Projektion eines vom Nutzer erwünschten, zu projizierenden Bildes durchführen zu können, ist es bevorzugt, wenn der Projektor in das erwünschte zu projizierende Bild ein Testbild nur kurzzeitlich einblendet, wobei die zeitliche Dauer bevorzugt weniger als 1/18 s dauert. Diese Zeit wird vom menschlichen Auge gerade eben nicht mehr wahrgenommen, wenn das Testbild zeitlich von zwei identischen Bildern eingebunden ist, also wenn vor und nach dem Testbild ein identisches oder nahezu identisches Bild eingeblendet wird. Je nach Art des zu projizierenden Bildes ist aber eine andere Zeitdauer von Vorteil. Für bewegte digitalisierte Bilder eignet sich eine Einblendung eines Testbildes innerhalb zweier Einzelbilder, die in typischer Frequenz gezeigt werden, somit 1/24 s. Für bewegte Bilder nach Europäischem Standard eignet sich eine Zeitdauer von weniger als 1/25 s oder 1/50 s. Für Bilder nach US-amerikanischem Standard eignen sich Zeiten von weniger als 1/30 s oder 1/60 s. Die Bildkorrektur wird in diesem Fall ausschließlich durch diese kurzzeitig aufgenommenen, projizierten Testbilder durchgeführt
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Das Testbild ist so aufgebaut, dass Bildanalyse-Algorithmen besonders einfach und schnell ausgewählte Punkte identifizieren können, ob das aufgenommene, projizierte Bild verzerrt ist oder nicht. Dieses aufgenommene, projizierte Testbild wird sodann mit einem gleichen Testbild, das unter Normalbedingungen, also idealen Projektionsbedingungen mit optimal eingestellter Projektionsoptik, aufgenommen worden ist, verglichen und ein Regelalgorithmus bestimmt anhand des Vergleichsergebnisses die Regelstrategie nach vorbestimmten Regeln, das projizierte Bild zu entzerren. Um ausgewählte Bildpunkte mit einem einfachen Algorithmus identifizieren zu können, der für eine Regelung in realzeitfähig ist, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das aufgenommene, projizierte Bild maskiert wird, so dass nur wenige Bildpunkte, die vom Algorithmus identifiziert werden, im Bild vorhanden sind.
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Als ideale Regelstrategie erweist sich, eine festgestellte chromatische Aberration durch Variation entsprechender Linsenabstände oder Linsenstellungen innerhalb der Projektionsoptik zu korrigieren. Auch können so Verzeichnungsfehler, wie Kissenfehler ausgeglichen werden. Trapezfehler werden durch eine Variation der Stellung der Bildebene innerhalb des Projektors korrigiert. Darüber hinaus gehende Verzerrungen, die unregelmäßig sind, beispielsweise aufgrund einer gewölbten oder nicht in einer Ebene liegenden Projektionsfläche, werden durch eine digitale, inverse Verzerrung des Bildes erreicht. Dabei hat es sich von Vorteil erwiesen, wenn der Projektor in jeder Bilddimension mindestens eine um Faktor 2 höhere Auflösung hat als das zu projizierende Bild. Zum Zeitpunkt dieser Anmeldung sind zwar hochauflösende Projektoren bekannt mit einer Bildpunktezahl von deutlich über 2.000 in der Horizontalen und von deutlich über 1.000 in der Vertikalen. Dennoch sind Bildauflösungen für bewegte Bilder und auch für einfache Präsentationen in der Größenordnung von 640 × 480 Bildpunkten noch durchaus üblich. Der hochauflösende Projektor hätte somit die Möglichkeit, ein verzerrtes Bild aufgrund der höheren Auflösung zu entzerren.
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Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
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1 Skizzierung einer tonnenförmigen Verzeichnung,
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2 Skizzierung eines kissenförmigen Verzeichnung,
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3 Skizzierung eines Trapezfehlers,
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4 Skizzierung einer chromatischen Aberration,
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5a, 5b, 5c Skizzierung der Maskierung von Bildelementen,
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6 Skizze eines alternativen Testbildmusters,
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7 Skizzierung einer unregelmäßigen Verzeichnung aufgrund einer nicht ebenen Projektionsfläche und
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8 einen erfindungsgemäßen Projektor.
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In 1 ist das Ergebnis einer Verzerrung durch eine tonnenförmige Verzeichnung dargestellt. Ein zu projizierendes Rechteck 1, das bei idealer Projektion die gestrichelte Form einnimmt, wird durch eine nicht ordnungsgemäße Einstellung der Projektionsoptik zu einem tonnenförmig verzeichneten Rechteckes 2 gemäß der durchgezogenen Linie verzerrt, wobei die hier gewählte Skizze den Fehler zur besseren Visualisierung übertrieben darstellt. Projektionsoptiken sind wie eine Tele-objektiv dazu in der Lage, den Öffnungswinkel und die Schärfe unabhängig voneinander zu variieren. Bei einem zu großen oder zu kleinen Öffnungswinkel entsteht dieser Verzeichnungseffekt, so dass durch eine Variation des Öffnungswinkels der tonnenförmige Verzeichnungseffekt korrigiert werden kann. Bei der allmählichen Ausrichtung der Linsen innerhalb der Projektionsoptik verschieben sich die gekrümmten Linien des tonnenförmig verzeichneten Rechtecks gemäß den eingezeichneten Pfeilen nach innen, wobei die abgebildeten Ecken des ideal projizierten und des tonnenförmig verzeichneten Rechtecks aufeinander bleiben. Bei dieser Abbildungskorrektur muss der Öffnungswinkel, die Schärfe und die Vergrößerung des digitalen Bildes gleichzeitig eingestellt werden, so dass sich durch die Änderung es Öffnungswinkels nicht die Bildgröße ändert, so dass dann die Eckpunkte der beiden eingezeichneten Figuren, ideal projiziertes Rechteck 1 und tonnenförmig verzeichnetes Rechteck 2 nahezu unverändert bleiben.
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In 2 ist der zu dem Abbildungsfehler in 1 inverse Abbildungsfehler dargestellt, die kissenförmige Verzeichnung. Diese könnte als eine Überkorrektur der tonnenförmigen Verzeichnung oder umgekehrt aufgefasst werden. Bei dieser Verzeichnung wird ein ideal projiziertes Rechteck 1 zu einem kissenförmig verzeichneten Rechteck 3 verzerrt. Auch bei diesem hier übertrieben dargestellten Verzeichnungsfehler wird durch eine Variation des Öffnungswinkels der kissenförmige Verzeichnungseffekt korrigiert. Bei der allmählichen Ausrichtung der Linsen innerhalb der Projektionsoptik verschieben sich die gekrümmten Linien des tonnenförmig verzeichneten Rechtecks gemäß den eingezeichneten Pfeilen nach außen, wobei die abgebildeten Ecken des ideal projizierten und des kissenförmig verzeichneten Rechtecks aufeinander bleiben. Bei dieser Abbildungskorrektur muss der Öffnungswinkel, die Schärfe und die Vergrößerung des digitalen Bildes gleichzeitig eingestellt werden, so dass sich durch die Änderung es Öffnungswinkels nicht die Bildgröße ändert, so dass dann die Eckpunkte der beiden eingezeichneten Figuren, ideal projiziertes Rechteck 1 und kissenförmig verzeichnetes Rechteck 3 nahezu unverändert bleiben.
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Die trapezförmige Verzeichnung ist ein Abbildungsfehler, der auf einer relativen Schrägstellung von Bildebene und Projektionsebene zurückzuführen ist. Dieser Trapezfehler ist in 3 skizziert. Dabei wird ein bei idealer Projektion projiziertes Rechteck 1 zu einem trapezförmig verzeichneten Rechteck 4 verzerrt. Durch die Schiefstellung von Bildebene und Projektionsebene wird durch die Zentralprojektion ein weiter entfernt von der Projektionsoptik entfernter Punkt vergrößert oder weiter von der Projektionsmitte dargestellt. Dieser Projektionsfehler kann durch eine Schrägstellung der Bildebene innerhalb des Projektors ausgeglichen werden, wobei im Idealzustand die Bildebene parallel zur Projektionsebene ausgerichtet ist.
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4 zeigt schließlich eine Skizze des Fehlers einer chromatischen Aberration. Dabei wird ein weißes, ideal projiziertes Rechteck 1 – hier bei einem Trapezfehler – durch die chromatische Aberration zu verschiednen Figuren aufgeweitet oder eingeengt, was durch die verschiedenen Trapeze, Trapez 5, Trapez 6 und Trapez 7 dargestellt ist. Bei der Verwendung eines Kontinuumsspektrums, also bei einer Glühbirne als Projektionslampe verschmelzen die drei Trapeze 5, 6 und 7 zu einem Regenbogenspektrum. Wird hingegen mit verschiedenen monochromatischen Lichtquellen wie bspw. Lasern als Projektionslicht gearbeitet, so trennen sich die drei Farben der Trapeze 5, 6 und 7 in unterschiedliche Trapeze auf. Je nach Projektionsoptik ist auch dieser Fehler durch eine relative Verschiebung verschiedener Linsengruppen innerhalb der Projektionsoptik im vorgegebenen Maß korrigierbar. Eine ideale Projektionsoptik zeigt diese Fehler nicht, aber aufgrund der nicht vermeidbaren Dispersion, die unterschiedlich starken Brechungsindizes der Linsengläser, ist dieser Fehler fast immanent, aber – je nach Linsentyp – immer noch in gewissen Grenzen einstellbar.
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In 5a, 5b und 5c ist eine Maskierung eines abgebildeten Projektionsfehlers dargestellt, anhand dessen das automatisch Verfahren zur automatischen Abbildungskorrektur erläutert wird. Bei der Projektion eines Rechteckes 1, das bei idealer Projektion auf der Projektionsfläche die gestrichelte Kontur des Rechteckes 1 einnehmen würde, wird durch eine tonnenförmige Verzeichnung zum liniert dargestellten, tonnenförmig verzerrten Rechteck 2 verzerrt. Eine unmittelbar neben dem Projektor vorhandene Kamera, vorzugsweise mit sehr kleinen Linsendimensionen, nimmt das projizierte Bild des Projektors auf. Dadurch, dass die Kamera sehr kleine Dimensionen gegenüber der Projektionsoptik aufweist, kann die Fokussierung auf ”unendlich” schon bei 2 m Abstand bis zu einer weit entfernten Projektionswand scharfe Bilder liefern. Die Kamera wird durch ihre kleinen Dimensionen auch einen nur sehr geringen Parallaxenfehler aufweisen, der durch die außermittige Position in Bezug auf die Zentralprojektion zustande kommt. Diese Kamera liefert das Bild des tonnenförmig verzerrten Rechtecks auf, wobei das Rechteck als einfaches Testbild innerhalb einer Recheneinheit, innerhalb der Kamera oder auch schon bei der Projektion maskiert wird. Durch die Maskierung mit einer kreuzförmigen Maske 10, die über das aufgenommene Bild des tonnenförmig verzerrten Rechtecks 2 gemäß 5b gelegt wird, entsteht das Bild gemäß der durchgezogenen Linien in 5c. Die Positionen der vier Ausschnitte des tonnenförmig verzerrten Rechtecks 2 werden innerhalb der Regelvorrichtung durch eine Recheneinheit mit einem gespeicherten Abbild eines ideal projizierten Rechtecks, gemäß den nach Maskierung verbleibenden gepunkteten Linien verglichen. Ein Algorithmus zur Bilderkennung kann diese sehr wenigen Bildinhalte schnell erfassen, den Schwerpunkt der identifizierten Bildinhalte bestimmen und den Abstand zum idealen Schwerpunkt, der im Bereich der gepunkteten Linien liegt, bestimmen. Durch diese Maskierung ergeben sich Abstandsvektoren Abstandsvektor 20, Abstandsvektor 21, Abstandsvektor 22 und Abstandsvektor 23, die jeweils eine Richtung und eine Länge, beispielsweise als Bruchteil einer Bilddiagonale, aufweisen. Durch Vergleich der Abstandsvektoren mit einer Tabelle kann die ideale Regelstrategie zur Korrektur der tonnenförmigen Verzeichnung, der kissenförmigen Verzeichnung und der trapezförmigen Verzeichnung abgelesen werden. Im vorliegenden Fall hat diese Tabelle mindestens 3 Zustände für jeden Vektor, nämlich ”hoch”, ”runter”, ”richtig” für die beiden oben und unten liegenden Bildinhalte und ”rechts”, ”links” und ”richtig” für die beiden an den Seiten liegenden Bildinhalte. Dadurch ergeben sich 3 hoch 4, also 81 Möglichkeiten der festgestellten Abweichungskombinationen. Durch eine Überlagerung verschiedener Verzeichnungsfehler, beispielsweise zweier verschiedener trapezförmiger Verzeichnungen, die durch eine entsprechende, durch zwei Achsen verstellte, Projektionsebene entstehen, und durch eine tonnenförmige oder kissenförmige Verzeichnung können so sehr unterschiedliche Vektormuster entstehen, die durch entsprechende Variation der Stellungsparameter der Projektionsoptik und der Bildebene korrigiert werden können. Diese Art der Korrektur, nämlich das Zuordnen von Vektorparametern zu einer Tabelle, aus der einzelne Regelstrategien abgerufen werden, ist aber nur ein einfaches Beispiel für eine Regelstrategie.
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Eine ganz andere Art der Regelstrategie ist beispielsweise bei der Bildentzerrung für das Auslesen von zweidimensionalen Matrixcodes bekannt. Dabei werden, wie in 6 gezeigt, in die Ecken eines Rechtecks ein leicht erkennbares Muster 8 eingeblendet, die von einem Bilderkennungsalgorithmus identifiziert werden. Bei der Identifikation der einzelnen Bildelemente lässt sich die Lage des fotografierten, Bildes in Bezug auf die Kameraposition genau feststellen und so die Regelstrategie abrufen.
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Ein besonderer Fall liegt vor, wenn eine nicht ebene Projektionsfläche vorliegt, was in 7 dargestellt ist. In diesem Fall muss die Abbildung eines jeden Bildpunktes oder auch die Abbildung einer Bildpunktegruppe, beispielsweise eines Vierecks aus 4, 9, 16 oder mehr Punkten mit der projizierten Position bestimmt werden. Es ergeben sich die wie in den 5a, 5b und 5c dargestellten Abstandsvektoren, von denen in 7 zwei Reihen, Vektorreihe 30 und Vektorreihe 31, eingezeichnet sind. Diese einmal festgestellte Vektormatrix wird sodann für eine nicht gleichmäßige Verzeichnungskorrektor des Bildes aufgrund einer nicht ebenen Projektionsfläche verwendet, wobei ein im Projektor befindlicher Bildprozessor den Bildinhalt künstlich zum festgestellten Abbildungsfehler invers verzerrt, sodass sich eine nahezu Abbildungsfehlerfreie Projektion ergibt. Um diesen Fehler zu bestimmen, ist es mithin notwendig, den Abbildungsfehler mit einer Vielzahl von Testbildern zu bestimmen, die auch als Einzelbilder in eine Sequenz von gewünschten projizierten Bildern eingeblendet werden kann.
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In 8 ist schließlich ein erfindungsgemäßer Projektor 100 abgebildet, der eine Projektionsoptik 101, eine Kamera 102 zur Aufnahme des projizierten Bildes aufweist und auch eine Regeleinrichtung 103 als Recheneinheit, die dazu in der Lage ist, Bildinhalte zu analysieren und entsprechend die Projektionsoptik motorisiert einzustellen. Des Weiteren kann die Regeleinrichtung die Bildebene verstellen und auch einzelnen Linsengruppen gegeneinander verstellen, um durch die Variation von Bildebene und Linsenabständen ein Idealbild bei der Projektion zu erzielen. Die exakte Regelstrategie hängt von der gewählten Projektionsoptik ab, die je nach Bauart eine hohe Anzahl von Stellparametern aufweisen kann. Die Regelstrategie ist dann abhängig von einem in der Regeleinrichtung implementierten Linsenmodell.
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Neben der Möglichkeit, Abbildungsfehler optisch zu korrigieren, kann die Regeleinrichtung auch einen Bildprozessor aufweisen, der das digitale Signal eines zu projizierenden Bildes so verändert, dass einzelne Bildpunkte oder einzelne Bildpunktgruppen innerhalb des Bildes verschoben, eindimensional oder zweidimensional komprimiert oder aufgeweitet, gegebenenfalls sogar verzerrt werden.
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Eine besondere Art der Bildkorrektur ist die Korrektur von festgestellten Helligkeitsgradienten und Farbgradienten. Die Helligkeit kann gemittelt eingestellt werden. Diese Art der Korrektur kann mit Hilfe der mittleren gemessenen Helligkeit des aufgenommenen projizierten Bildes eingestellt werden. Bei der Projektion auf relativ zum Projektor schräg stehenden Projektionsflächen ergeben sich unweigerlich Helligkeitsunterschiede, die durch eine dazu umgekehrte Einstellung der Helligkeitsverteilung der einzelnen Bildinhalte korrigiert werden kann. Auch kann der Farbgradient eines gleichmäßigen Weißbildes durch eine entsprechende Farbmaske korrigiert werden. Eine Verschattung ist nicht durch eine Einstellung der Projektorparameter korrigierbar. Wohl aber kann eine festgestellte Verschattung als Steuersignal verwendet werden, um beispielsweise die Wanderung einer Verschattung als ein Signal an den Projektor oder an den Projizierenden Computer zu geben nach Art eines Computer-Maus-Signals.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rechteck, deal projiziert
- 2
- Rechteck, tonnenförmig verzeichnet
- 3
- Rechteck, kissenförmig verzeichnet
- 4
- Rechteck, trapezförmig verzeichnet
- 5
- Rechteck, trapezförmig verzeichnet, erste Farbe
- 6
- Rechteck, trapezförmig verzeichnet, zweite Farbe
- 7
- Rechteck, trapezförmig verzeichnet, dritte Farbe
- 8
- Muster
- 10
- Maske
- 20
- Abstandsvektor
- 21
- Abstandsvektor
- 22
- Abstandsvektor
- 23
- Abstandsvektor
- 30
- Vektorreihe
- 31
- Vektorreihe
- 100
- Projektor
- 101
- Projektionsoptik
- 102
- Kamera
- 103
- Regeleinrichtung